Σωστές πρακτικές στη χρήση του GPS και του HEPOS: Εμπειρίες από τα 10 χρόνια λειτουργίας του συστήματος

Transcript

1

2 : Εμπειρίες από τα 10 χρόνια λειτουργίας του συστήματος Μιχάλης Γιαννίου Δημήτης Μάστορης Τμήμα Γεωδαιτικών Δεδομένων Διεύθυνση Ψηφιακών Συστημάτων, Υπηρεσιών & Προώθησης Προϊόντων Tel , «5 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Αγρονόμων Τοπογράφων Μηχανικών»

3 Περιεχόμενα της παρουσίασης Εισαγωγή Επίλυση ασαφειών φάσης Αξιοπιστία λύσης Fixed Σωστές πρακτικές στη χρήση του RTK Ιονόσφαιρα και επίλυση ασαφειών φάσης Δείκτης Ι95 24ος Ηλιακός κύκλος Επίδραση της ιονόσφαιρας στο χρόνο επίλυσης ασαφειών φάσης Σωστές πρακτικές μετρήσεων υπό έντονη ιονόσφαιρα Γεωδαιτικά θέματα Εσωτερική συνοχή Κρατικού Τριγωνομετρικού Δικτύου Υλοποίηση του ΕΓΣΑ87 μέσω του HEPOS

4 Εισαγωγή Το GPS δεν έχει σχεδιαστεί για να παρέχει ακρίβεια λίγων cm. Για να επιτευχθεί η τοπογραφική ακρίβεια επινοήθηκε η χρήση μετρήσεων φάσης (φάση της φέρουσας συχνότητας). Η ακρίβεια με την οποία μπορεί να προσδιοριστεί η απόσταση δορυφόρου-δέκτη μέσω μετρήσεων φάσης είναι εξαιρετικά υψηλή (της τάξης των ±2 mm). Απαραίτητη προϋπόθεση για να επιτευχθεί αυτή η ακρίβεια είναι η επίλυση των ασαφειών φάσης!

5 Επίλυση ασαφειών φάσης Με τη μέτρηση φάσης προσδιορίζεται (με ακρίβεια ~ ±2 mm) ένα πολύ μικρό μέρος της απόστασης δορυφόρουδέκτη. Το υπόλοιπο τμήμα της απόστασης δορυφόρου-δέκτη θα παραμένει άγνωστο αν δεν λυθούν οι ασάφειες φάσης.

6 Επίλυση ασαφειών φάσης Η επίλυση ασαφειών φάσης είναι εξαιρετικά απαιτητικό εγχείρημα. Τα πρώτα χρόνια των γεωδαιτικών εφαρμογών του GPS μπορούσε να γίνει μόνο έχοντας πολύωρες μετρήσεις (static). Στη συνέχεια περιορίστηκε η απαιτούμενη διάρκεια μέτρησης σε ~ 10 min (σύντομες στατικές μετρήσεις: rapid static, fast static). Οι τεχνικές RTK επιδιώκουν την επίλυση ασαφειών μέσα σε ελάχιστο χρονικό διάστημα (1-2 min ή ακόμα και λίγα sec).

7 Επίλυση ασαφειών φάσης Για να εξασφαλιστεί τοπογραφική ακρίβεια πρέπει να υπολογιστούν οι ακέραιες τιμές των ασαφειών φάσης (λύση fixed). Λύσεις float δεν εξασφαλίζουν τοπογραφική ακρίβεια. Οι αλγόριθμοι επίλυσης για σύντομες στατικές μετρήσεις και RTK στηρίζονται σε στατιστικά στοιχεία για τον υπολογισμό/αποδοχή της λύσης fixed (RMS, Reference variance, ratio κλπ). Το ζητούμενο είναι η λύση που θα υπολογιστεί να είναι όσο γίνεται πιο αξιόπιστη.

8 Επίλυση ασαφειών φάσης Πάντα υπάρχει ο κίνδυνος η επίλυση ασαφειών να μη γίνει σωστά. Ο κίνδυνος αυτός μεγαλώνει εκθετικά όταν οι συνθήκες μέτρησης δεν είναι καλές, π.χ.: Ύπαρξη εμποδίων (λίγοι δορυφόροι ή/και κακή γεωμετρία) Κακή λήψη σήματος, π.χ.: Φυλλώματα δέντρων Παρεμβολές Multipath Μικρή διάρκεια (στατικών) μετρήσεων Βάσεις μεγάλου μήκους (για το συγκεκριμένο εξοπλισμό, τεχνική και συνθήκες μέτρησης)

9 Αξιοπιστία λύσης Fixed Οι σύγχρονοι αλγόριθμοι RTK εξασφαλίζουν πολύ μεγάλη αξιοπιστία υπό καλές συνθήκες μέτρησης. Όσο όμως χειροτερεύουν οι συνθήκες μέτρησης τόσο αυξάνει ο κίνδυνος μίας λάθος fixed λύσης.

10 Αξιοπιστία λύσης Fixed Μη ενδεδειγμένες πρακτικές - RTK Σε μερικούς δέκτες υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης του ποσοστού αξιοπιστίας της λύσης fixed. Η μείωση του ποσοστού αυτού, ώστε ο δέκτης να «φιξάρει» πιο γρήγορα, δεν επιτρέπεται παρά μόνο για σχεδόν ιδανικές συνθήκες μέτρησης ή για εργασίες χαμηλής ακρίβειας (π.χ. ασαφή όρια). σε καμία περίπτωση κατά την ίδρυση σημείων εξάρτησης, μέτρηση ορίων που απαιτείται ακρίβεια κ.λ.π.

11 Σωστές πρακτικές στη χρήση του RTK Χρησιμοποιούμε τις προτεινόμενες από τον κατασκευαστή ρυθμίσεις για το επίπεδο εμπιστοσύνης της επίλυσης (π.χ. 99%). Πριν ξεκινήσουμε τη σύνδεση με το HEPOS ελέγχουμε (από την οθόνη παρακολούθησης δορυφόρων του χειριστηρίου): ότι η λήψη έχει σταθεροποιηθεί ότι έχουμε επαρκή αριθμό δορυφόρων με λήψη σε L1 και L2. Επιλέγουμε ένα σημείο που προσφέρει καλές συνθήκες λήψης, για να «φιξάρουμε».

12 Σωστές πρακτικές στη χρήση του RTK Εντός των περιοχών κάλυψης των δικτυακών λύσεων του HEPOS, επιλέγουμε δικτυακές τεχνικές (π.χ. VRS) οι οποίες περιορίζουν την επίδραση των σφαλμάτων και μειώνουν έτσι το χρόνο για fixing. Αν ο δέκτης αργήσει να «φιξάρει» (π.χ. 5 min αντί του συνήθους < 1 min) απαιτείται προσοχή. Συνιστάται να μετρηθεί ένα συγκεκριμένο σημείο και να επαναμετρηθεί (με νέο fix), μετά από πάροδο τουλάχιστον 1-2 ωρών, ώστε να έχει αλλάξει η γεωμετρία των δορυφόρων. Αν οι δύο μετρήσεις συμπίπτουν, η πιθανότητα λανθασμένου fixing είναι πάρα πολύ μικρή. Η επαναμέτρηση συνιστάται γενικότερα όταν έχουμε επιφυλάξεις για τη λύση.

13 Σωστές πρακτικές στη χρήση του RTK Αν δεν επιτυγχάνεται fixed ενώ: παρατηρούνται πολλοί (π.χ. 8) δορυφόροι με καλές συνθήκες (καλή γεωμετρία, ισχυρό σήμα σε L1 και L2, απουσία εμποδίων) έχουν αποκλειστεί όλες οι πιθανές αιτίες προβλημάτων (π.χ. σύνδεση internet) μπορούμε να αυξήσουμε λίγο τη γωνία αποκοπής π.χ.: -απόdefault13 ο σε 20 ο -απόdefault5 ο σε ο

14 Ιονόσφαιρα και επίλυση ασαφειών φάσης Το ιονοσφαιρικό σφάλμα Το σφάλμα di που προκαλεί η Ιονόσφαιρα δορυφόρου-δέκτη ισούται με: στη μέτρηση της απόστασης di gr 40.3 f TEC 2 για μετρήσεις ψευδοαποστάσεων με κώδικα di ph 40.3 f TEC 2 για μετρήσεις φάσης όπου: - TEC (Total Electron Content) εκφράζει το βαθμό φόρτισης της ιονόσφαιρας - f η συχνότητα του σήματος Το σφάλμα που εισάγει η ιονόσφαιρα στη μέτρηση της απόστασης δορυφόρου-δέκτη μπορεί να ξεπεράσει τα 100 m.

15 τύπου: I Ιονόσφαιρα και επίλυση ασαφειών φάσης 2 2 I LAT I LON Δείκτης Ι95 Στα δίκτυα σταθμών αναφοράς η ιονοσφαιρική δραστηριότητα περιγράφεται με το δείκτη Ι95. Ο δείκτης Ι95 περιγράφει το πόσο έντονες είναι οι χωρικές μεταβολές του ιονοσφαιρικού σφάλματος. Υπολογίζεται βάσει του Στο οι τιμές του Ι95 παρέχονται online.

16 Ιονόσφαιρα και επίλυση ασαφειών φάσης Διακυμάνσεις ιονοσφαιρικής δραστηριότητας Η φόρτιση της Ιονόσφαιρας οφείλεται στην ηλιακή δραστηριότητα. Κατά συνέπεια το επίπεδο φόρτισής της, παρουσιάζει τις εξής βασικές διακυμάνσεις: 1/2/2014 Ημερήσια (ημέρα-νύχτα) Εποχική (καλοκαίρι-χειμώνας) Ενδεκαετής

17 Ιονόσφαιρα και επίλυση ασαφειών φάσης 24 ος Ηλιακός κύκλος Ημερήσιο μέγιστο δείκτη Ι95 του HEPOS ( ) Κρήτη Ηπειρωτική νησιωτική χώρα Jan 10 Mar 10 Jun 10 Sep 10 Dec 10 Mar 11 Jun 11 Sep 11 Dec 11 Mar 12 Jun 12 Sep 12 Dec 12 Mar 13 May 13 Aug 13 Nov 13 Feb 14 May 14 Aug 14 Nov 14 Feb 15 May 15 Aug 15 Nov 15 Feb 16 May 16 Jul 16 Oct 16 Jan 17 Apr 17 Jul 17 Ι95

18 Ιονόσφαιρα και επίλυση ασαφειών φάσης 24 ος Ηλιακός κύκλος Μέση ημερήσια τιμή δείκτη Ι95 του HEPOS ( ) (Εξομαλυμένη με φίλτρο Κινητού Μέσου Όρου εύρους 7 ημερών) 10 Κρήτη Ηπειρωτική-νησιωτική χώρα Jan-10 Mar-10 Jun-10 Sep-10 Dec-10 Mar-11 Jun-11 Sep-11 Dec-11 Mar-12 Jun-12 Sep-12 Dec-12 Mar-13 May-13 Aug-13 Nov-13 Feb-14 May-14 Aug-14 Nov-14 Feb-15 May-15 Aug-15 Nov-15 Feb-16 May-16 Jul-16 Oct-16 Jan-17 Apr-17 Jul-17 I95

19 Ιονόσφαιρα και επίλυση ασαφειών φάσης Επίδραση της ιονόσφαιρας στο χρόνο επίλυσης ασαφειών φάσης (fixing) Initialization time (Time to Fix): Δοκιμές RΤΚ στο ίδιο σημείο σε διαδοχικές ημέρες (4/2012)

20 Ιονόσφαιρα και επίλυση ασαφειών φάσης Επίδραση της ιονόσφαιρας στο χρόνο επίλυσης ασαφειών φάσης (fixing) Initialization time (Time to Fix): Δοκιμές με μετεπεξεργασία ( ) Χρόνος επίλυσης ασαφειών (min) Αδυναμία επίλυσης Μη-φυσιολογικός χρόνος Φυσιολογικός χρόνος N o F i x N o F i x 14:20 14:30 14:40 14:50 15:00 15:20 15:40 16:00 16:30 17:00 17:30 Δείκτης Ι Υψηλή ιονοσφ. δραστηρ. Μέτρια ιονοσφ. δραστηρ 0 14:20 14:30 14:40 14:50 15:00 15:20 15:40 16:00 16:30 17:00 17:30 GPS time

21 Ιονόσφαιρα και επίλυση ασαφειών φάσης Σωστές πρακτικές μετρήσεων υπό έντονη ιονόσφαιρα Έλεγχος της έντασης της ιονοσφαιρικής δραστηριότητας από το Τις ημέρες έντονων ιονοσφαιρικών φαινομένων: αποφεύγουμε κατά το δυνατόν να μετράμε Εναλλακτικά, προτιμάμε να μετράμε τις πρωινές ώρες (μέχρι ~ 10 π.μ.) αν είναι δυνατόν, αλλιώς αργά το απόγευμα Προτιμάμε τις δικτυακές τεχνικές (π.χ. VRS) ειδικότερα αν δεν είμαστε πολύ κοντά σε πραγματικό σταθμό αναφοράς. Κάνουμε επαναληπτικές μετρήσεις ελέγχου (με νέο fix), μετά από πάροδο ~ 1-2 ωρών, ώστε να έχει αλλάξει η γεωμετρία των δορυφόρων.

22 Γεωδαιτικά θέματα Εσωτερική συνοχή Κρατικού Τριγωνομετρικού Δικτύου Αν προσδιορίσουμε με GPS ένα σημείο από διάφορα γειτονικά τριγωνομετρικά του Κρατικού δικτύου, πόσο καλά θα ταιριάζουν τα αποτελέσματα; Για την περίπτωση του διπλανού δικτύου (Μεσόγεια Αττικής): ΔΕ (cm) ΔΝ (cm) km Δηλαδή: Εύρος ΔΕ Εύρος ΔΝ (cm) (cm)

23 Γεωδαιτικά θέματα Εσωτερική συνοχή Κρατικού Τριγωνομετρικού Δικτύου Ενδεικτικά αποτελέσματα από τις επιλύσεις ελέγχου των τριγωνομετρικών δικτύων των αρχικών μελετών του Εθνικού Κτηματολογίου Περιοχή Φ.Χ. # Κρατικών Τριγ/κων στο δίκτυο Εύρος διακύμανσης Easting (m) Εύρος διακύμανσης Northing (m) Περιοχές υψηλής ακρίβειας Αττική Μήλος 163, Ιωάννινα Περιοχές μέσης ακρίβειας Σύρος Σίφνος Πτολεμαΐδα 315, Γρεβενά 012, 085, Πρέσπες 041, Περιοχές χαμηλής ακρίβειας Αιτωλ/νία 015, 110, Λάρισα 082, Κεφαλονιά 016,

24 Γεωδαιτικά θέματα Υλοποίηση ΕΓΣΑ87 μέσω του HEPOS Το ΣΑ του HEPOS ονομάζεται HTRS07 (Hellenic Terrestrial Reference System 2007) και είναι υλοποίηση του ETRS89 στην Ελλάδα. Το Επίσημο Μοντέλο Μετασχηματισμού HTRS07-ΕΓΣΑ87 στηρίζεται στη συνδυασμένη χρήση: Ενός 7-παραμετρικού μετασχηματισμού ομοιότητας t x = m ε x = arcsec δs = ppm t y = m ε y = arcsec t z = m ε z = arcsec Δύο καννάβων διορθώσεων δε, δν (βήμα καννάβου 2 Κm).

25 Γεωδαιτικά θέματα Πλεονεκτήματα της υλοποίησης του ΕΓΣΑ87 μέσω του HEPOS Η υλοποίηση του ΕΓΣΑ87 μέσω του HEPOS εξασφαλίζει ταυτόχρονα: ομαλή μεταβολή συντεταγμένων μονοσήμαντα ορισμένο αποτέλεσμα για όλους τους χρήστες. Τα παραπάνω δεν επιτυγχάνονται όταν χρησιμοποιούνται τριγωνομετρικά σημεία.

26 Ευχαριστούμε για την προσοχή σας Τα έργα του HEPOS συγχρηματοδοτήθηκαν από το Ευρωπαϊκό Ταμείο Περιφερειακής Ανάπτυξης στο πλαίσιο του Ε.Π. «Κοινωνία της Πληροφορίας». Συνοπτικός τίτλος ομιλίας

27